萬瓦級激光切割裝備及技術

■ 宋維建

近年來，我國高鐵、核電、船舶、石油化工及航天航空等領域的高速發展，對激光切割加工裝備和工藝技術提出了更高的需求，總的趨勢是向功率更高、速度更快、幅面更大、切割更厚、斷面更亮、更平直的方向發展。當下激光產業的發展越來越有活力，光纖激光器的功率技術和與之相適應的光學元器件技術不斷取得突破，勢必推動激光切割機的裝機功率不斷攀升。

在高功率激光加工領域耕耘近30年的領創公司，在不斷積累裝備制造和加工工藝經驗的基礎上，成功攻克若干關鍵技術難題，在國內率先推出10kW和12kW“愛可寶”系列激光切割機，批量投放國內外市場后，引起行業同仁廣泛關注。

可靠穩定的光源技術

激光裝備功率要突破萬瓦級，首先需實現可靠穩定的光源技術。在激光切割領域，目前主流激光光源的制造商是美國IPG和德國通快，可將12kW的激光功率耦合進100μm的光纖內，其核心技術是耦合技術、封裝技術、熱應力管理、散熱管理、光譜控制及光斑控制。IPG光源模塊目前有500W、700W、1000W和1500W，近期將推出2000W模塊，通過增加單一模塊的冗余量實現長期穩定的功率輸出；通快碟片激光器則通過功率閉環控制，其每個模塊只有1000W一種。不管何種光源，其用于切割工藝方面的光束參數積（BPP）一般不能大于8mm·mrad，電光轉換效率不小于30%。

光束傳導技術

解決光束傳導技術難題對實現萬瓦級激光裝備也極其重要。由于受到光學加工能力限制，很難加工出整形效果好、衍射極限高的光學元器件，一定程度上制約了大功率激光傳輸技術的發展。如何提升光學端面拋光技術，提高衍射效率高的光學器件制備能力是未來超高功率激光發展和應用的挑戰。萬瓦級功率激光從100μm的光纖芯徑內射出，其功率密度之大可想而知。一般而言，激光傳導經過的路徑由光纖端面鏡、QBH或QD接口、準直擴束鏡組、變焦系統、聚焦鏡及下保護鏡等組成，鑒于超高的功率密度，對所有上述路徑上的光學鏡片提出嚴苛的潔凈度和溫升要求，整個光路必須嚴格密閉，不得與外界有介質交換，而且須在潔凈空間內安裝和清潔光學器件。另外，各環節冷卻回路的壓力、流量、水流進出順序及水溫同樣重要，確保切割加工過程中溫度保持相對恒定。

通常來說，激光切割必須先有起刀孔，尤其是切割厚板材料時，穿孔質量十分重要，優良的穿孔是保證光束和氣流穩定的基礎。對萬瓦級激光切割而言，變焦穿孔技術是通過伺服電動機控制擴束鏡組與聚焦鏡的相對距離，實現聚焦光斑正負離焦量的變化，切割不銹鋼、鋁及鋁合金、黃銅及純銅需要負離焦，厚度越大，負離焦越深（見圖1）。采用伺服控制“雙凸—雙凹—雙凸”ZOOM鏡組，實現分級或無級調焦（見圖2），高速動態變焦穿孔，實現割縫斷面無斜度切割。采用光束整形技術、模式自動變換控制技術、能量密度微積分技術，實現大厚度不銹鋼及高反射材料的“亮面切割”。

高動態與伺服驅動

高動態機床的設計和最新控制軟件的開發與應用。研制高剛性、高強度、輕質移動功能部件，經有限元FEM算法，采用三角形桁架穩定結構，超高壓拉制航空用鋁合金材料，高速移動橫梁的靜態和動態的應力、應變有大幅提升，輔以高響應、高精度一體化雙邊同步伺服驅動配置（見圖3），整體傳動鏈的動態加速度高達3g。

智能切割控制系統

智能切割控制系統(ICS)可對切割狀態監視器反饋的數據進行實時分析，并依此適時調整切割工藝參數，控制切割輔助氣體組分，以及改變焦點位置，保證加工質量，提升加工效率。當出現切割失敗時能及時終止加工，減少甚至杜絕不良品的產生。

智能化焦點搜索功能

由于材質及尺寸等因素的誤差使得光學鏡片（包括光源窗口鏡、準直擴束鏡、反射鏡和聚焦鏡等）在加工過程中存在微小的差異，這些誤差會引起相同規格的不同鏡片焦點位置有一定細微差別，同時在激光切割機光導系統安裝時，各種調整環節、光路氣體的種類和潔凈度也會導致焦點的漂移，而使用智能切割控制系統可以自動化的快速搜索及確定焦點位置，比以往手動調整方式在效率和精度兩方面都有極大的提高。準確的焦點位置，是實現高質量、高效率切割的關鍵要素之一。

圖1 切割厚板光腰變長

高速穿孔功能

圖2 無級變焦原理

圖3 一體化雙邊同步伺服驅動配置

智能切割控制系統具備高速穿孔功能，可節省能量，提高穿孔效率。穿孔是激光切割進行前必須準備的工作。對于傳統的定時穿孔工藝，在效率和安全性上有一定矛盾，要保證穿孔快速且可靠地完成，通常會在穿孔時間上留有一定余量，但為防止穿孔過程中熔池發生爆孔進而污染鏡片，又會限制穿孔功率，從而影響穿孔效率。而智能切割控制系統，由于可以在線監測并控制穿孔狀態，在發生熔池爆孔前可以提前預測并控制各種工藝參數，最終可使激光器在滿功率狀態下高速度、高質量地完成穿孔，并且能夠自動判斷穿孔過程的結束，穿孔結束后立即執行后續切割，可大大縮短加工時間，保證加工質量，同時也可極大地減少由于多余的穿孔能量而對床身產生燒蝕和熱變形等影響。

切割狀態監測功能

智能切割控制系統具備切割狀態監測功能（見圖4），能夠杜絕不良品的產生。在切割較厚金屬材料時，容易發生燒損或等離子云等不良切割現象，該功能可以通過檢測實際切口金屬輻射光、焦點亮度、等離子體的聚集情況等信息進行實時采樣分析，在即將產生不良切割或等離子云之前，自動調整切割工藝參數，實現自動減速然后再加速，或自動后退再執行程序，從而避免材料損失；在發生切割不良甚至失敗前，能夠提前終止加工，并可以生成大量的監測數據為工藝參數改進提供依據。

切割區域防熱源滲透

切割過程中，萬瓦級功率激光經聚焦其能量密度可以達50kW/mm2，除作用在被加工板材上以外，大量的能量穿過割縫透射到機床床體上，以熱量的形式被諸如床體機架、支撐劍柵、廢料收集漏斗、廢料小車等吸收，必將導致上述零部件的燒蝕、變形，甚至引起床體結構件的精度變化，因此隔熱防燒措施尤顯突出。提高切割板材支撐箱體的強度和剛性，增加劍柵寬度和厚度及采用耐切割材質如純銅等，增加床體隔熱板厚度并開設吸收熱應力和熱變形的槽縫，隔熱板選用一定厚度的銅材或石墨材料等。總之，萬瓦級光源制備技術的成功推出，對熱吸收、熱傳導、熱穿透的研究不可忽視。

超高速、穩態氣流噴嘴技術

影響激光切割質量的因素很多，在諸多因素中，噴嘴的結構形式、輔助氣體的種類、壓力、流量對于切割質量具有極其重要的影響，尤其是萬瓦級激光切割工藝對噴嘴結構及相關參量提出更高的要求。目前，切割噴嘴主要有單孔式和復合式兩種，出光孔和噴氣孔以圓柱形和錐形為主，加工簡單，制作成本低，但此種結構空氣動力學性能較差，氣體動能不佳，氣體損耗偏大，基本滿足6kW以內功率的切割加工。當應用萬瓦級激光切割50mm厚不銹鋼板時，測試結果證明拉伐爾噴嘴是高壓厚板快速切割工藝最佳的結構形式，其超高速、高壓穩態氣流，作用在切縫入口和切口內部，形成穩定和高質量的切割。拉伐爾噴嘴結構復雜，加工困難，制作成本高，而噴嘴屬于消耗件，我們研制了一種既經濟又無限逼近拉法爾結構的噴嘴，經批量切割驗證，滿足用戶需求。根據切割厚度和材質的不同，選擇不同的噴嘴孔徑，萬瓦級激光裝備切割50mm厚不銹鋼（見圖5），采用孔徑為5～7mm的自制噴嘴，穩定、高質量切割速度超過0.1m/min。

圖4 利用傳感器技術在線檢測切割過程質量

圖5 不銹鋼切割樣件